plantscreen植物表型成像分析系統(tǒng)應(yīng)用——氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制與相關(guān)表型分析
葉片表面的保衛(wèi)細(xì)胞能夠調(diào)節(jié)氣孔開放，從而使植物與大氣間進(jìn)行氣體交換，讓植物的光合作用與蒸騰作用之間達(dá)到平衡。保衛(wèi)細(xì)胞的新陳代謝活性又主要依賴來源于葉肉的糖分。而參與到這一過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞功能的貢獻(xiàn)還不清楚。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、蘇黎世大學(xué)與捷克photon systems instruments (psi)公司合作，證實(shí)了在擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中，單糖/質(zhì)子協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)子糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1和4（stp1和stp4）是主要的質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。結(jié)果表明它們的共同作用需要葡萄糖輸入到保衛(wèi)細(xì)胞，提供淀粉積累和光誘導(dǎo)氣孔打開所需的碳源。這一研究成果作為封面文章發(fā)表于2020年《embo reports》。
a．stp1stp4雙突變體保衛(wèi)細(xì)胞可溶性糖含量顯著變化；b. 淀粉粒消失
而為了深刻理解這種氣孔運(yùn)動(dòng)變化對(duì)植物光合與生長(zhǎng)的影響，就需要對(duì)各種相關(guān)擬南芥突變體表型進(jìn)行全面的綜合分析。研究人員使用了psi植物表型研究中心的plantscreen植物表型成像分析系統(tǒng)完成了這一工作。這一系統(tǒng)安裝在fytoscope大型步入式植物生長(zhǎng)室內(nèi)，同時(shí)具備光適應(yīng)室和稱重澆灌單元，能夠準(zhǔn)確模擬各種植物培養(yǎng)環(huán)境。其自動(dòng)化傳送系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)320株高50cm樣品的同步培養(yǎng)和自動(dòng)化成像測(cè)量。這套系統(tǒng)配置的表型成像分析單元包括：
成像單元
獲取表型數(shù)據(jù)
葉綠素?zé)晒獬上駟卧?br> 植物光合生理表型：fv/fm、qy（φpsii）、fv’/fm’、npq、qp等
rgb真彩形態(tài)學(xué)成像單元
形態(tài)學(xué)表型：株高、株寬、葉面積、生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分析、色彩分析等
vnir（visible-near-infrared，可見光-近紅外）高光譜成像單元
反射光譜表型：反射光譜曲線、植被指數(shù)（ndvi、pri、cri、ari等）
紅外熱成像單元
葉片溫度、冠層溫度
糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白stp突變體造成擬南芥氣孔關(guān)閉后，直接影響到的就是擬南芥的蒸騰作用，進(jìn)而使光照條件下的葉片溫度升高。紅外熱成像分析表明，各種stp突變體的葉溫都比野生型有所升高。stp1stp4葉溫升高尤其顯著，這表明其氣孔閉合程度大。測(cè)量氣孔導(dǎo)度gs進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
a．不同擬南芥突變體的紅外熱成像圖；b. 歸一化葉片溫度變化曲線；c. 不同光暗條件下的氣孔導(dǎo)度gs變化
vnir高光譜成像獲得的歸一化植被指數(shù)ndvi是遙感和表型研究中常用的植被指數(shù)。ndvi與葉綠素含量具備正相關(guān)關(guān)系，也常被用來估算葉綠素含量。結(jié)果表明，stp1stp4的ndvi與其他突變體和野生型是可比的?；趓gb成像色彩分析功能獲得的綠度色彩豐富度，也表明在綠度分布上stp1stp4與其他突變體和野生型也沒有顯著差異。這表明stp1stp4突變體還是具備完整功能的光合機(jī)構(gòu)。
a．vnir高光譜成像獲得的ndvi成像圖；b. ndvi變化曲線；c-e. 基于rgb成像色彩分析功能的綠度色彩豐富度
而葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果表明，stp1stp4的光系統(tǒng)ii大光化學(xué)效率fv/fm、實(shí)際光化學(xué)效率φpsii、光適應(yīng)大光化學(xué)效率fv’/fm’，光化學(xué)淬滅qp等光合能力相關(guān)參數(shù)都有顯著降低。
a．實(shí)際光化學(xué)效率φpsii成像圖；b. φpsii變化曲線
rgb形態(tài)表型分析結(jié)果，與野生型相比，stp1stp4突變體的生長(zhǎng)減少了60%，而且生長(zhǎng)速率也要更低。而其他突變體的生長(zhǎng)多只降低20%。
i. rgb成像圖；j. 投影蓮座面積變化曲線
這一研究工作充分利用了plantscreen植物表型成像分析系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：高通量樣品自動(dòng)培養(yǎng)與測(cè)量、無損表型成像功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一植株的連續(xù)跟蹤測(cè)量、全面的表型分析數(shù)據(jù)（形態(tài)、光合、反射光譜、溫度）。
綜合表型分析結(jié)果，研究人員認(rèn)為stp1和stp4基因的同時(shí)突變?cè)斐蓴M南芥散布性氣孔限制，使葉肉光合作用所需的co2有效性降低。這就解釋了stp1stp4突變體光合能力降低、葉肉碳水化合物代謝變化，以及后導(dǎo)致的生長(zhǎng)表型缺陷。
參考文獻(xiàn)：
flütschs, et al. 2020.glucose uptake to guard cells via stp transportersprovides carbon sources for stomatal opening andplant growth. embo reports21:e49719
北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供植物/藻類表型與脅迫響應(yīng)研究全面技術(shù)方案：
fluorpen/aquapen手持儀葉綠素?zé)晒鈨xmonitoring pen葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀fluorcam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)fkm多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)fmt150/mc1000/et-psi藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)thermo-rgb紅外熱成像技術(shù)spectrapen/polypen、specim高光譜測(cè)量技術(shù)plantscreen植物高通量表型成像分析平臺(tái)